ธีรวุฒิ บุตรศรีภูมิ รับราชการตำรวจ เคยดำรงตำแหน่ง ผบ.หมวด สถานีตำรวจภูธรอำเภอหนองจิก จังหวัดปัตตานี เป็นผู้บัญชาการตำรวจภูธรภาค 9, ภาค 7 มีผลงานปราบปรามขบวนการโจรก่อการร้ายหลายราย เช่น ยูโซะ ท่าน้ำ และถูกยิงได้รับบาดเจ็บจากการปะทะกับผู้ก่อความไม่สงบถึง 3 ครั้ง โดยก่อนจะเกษียณอายุราชการในตำแหน่งผู้ช่วยผู้บัญชาการตำรวจแห่งชาติ ในปี พ.ศ. 2547[1] ดำรงตำแหน่งผู้บัญชาการตำรวจภูธรภาค 9 โดยระหว่างอยู่ในตำแหน่งดังกล่าว ได้ควบคุมและจัดการสถานการณ์จนเป็นช่วงเวลาที่มีเหตุการณ์เกิดขึ้นน้อยที่สุด และได้เกษียณอายุราชการตำแหน่งผู้ช่วยผู้บัญชาการตำรวจแห่งชาติ ในชั้นยศ "พลตำรวจโท"

หลังจากเกษียณอายุราชการ ได้รับแต่งตั้งเป็นกรรมการตุลาการศาลปกครอง (ผุ้ทรงคุณวุฒิ) เป็นอนุกรรมการพิจารณาและไตร่สวน คณะกรรมการการเลือกตั้ง และเป็นกรรมการข้าราชการตำรวจผู้ทรงคุณวุฒิ (จากการเลือกตั้งโดยข้าราชการตำรวจทั่วประเทศ) อีกด้วย

ต่อมาในการจัดตั้งรัฐบาลหลังการรัฐประหาร พ.ศ. 2549 พลตำรวจโท ธีรวุฒิ บุตรศรีภูมิ ได้รับตำแหน่งรัฐมนตรีช่วยว่าการกระทรวงมหาดไทย[2] กำกับดูแลการแก้ไขปัญหาความไม่สงบใน 3 จังหวัดชายแดนภาคใต้ทั้งนี้ ธีรวุฒิ บุตรศรีภูมิ เป็นข้าราชการตำรวจเพียงไม่กี่นายที่ได้รับพระราชทานบรรดาศักดิ์ Dato จากสุลต่านแห่งรัฐกลันตัน

หลังจากพ้นตำแหน่งรัฐมนตรี ธีรวุฒิ บุตรศรีภูมิ ได้รับการแต่งตั้งให้เป็นที่ปรึกษากิตติมศักดิ์ในคณะกรรมาธิการหลายคณะในสภาผู้แทนราษฏร อาทิ คณะกรรมาธิการการตำรวจ คณะกรรมาธิการวิสามัญพิจารณาศึกษาแนวทางปรองดองแห่งชาติ และคณะกรรมาธิการการกฎหมาย การยุติธรรมและสิทธิมนุษยชน โดยมีบทบาทในฐานะประธานคณะทำงานพิจารณาแก้ไข พ.ร.บ.ตำรวจ อีกด้วย

ต่อมาในปี พ.ศ. 2557 มีพระบรมราชโองการโปรดเกล้าฯ พระราชทานยศเป็นพลตำรวจเอกเป็นกรณีพิเศษ[3]